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EP1567247A1 - Partikelfalle mit beschichteter faserlage - Google Patents

Partikelfalle mit beschichteter faserlage

Info

Publication number
EP1567247A1
EP1567247A1 EP03779864A EP03779864A EP1567247A1 EP 1567247 A1 EP1567247 A1 EP 1567247A1 EP 03779864 A EP03779864 A EP 03779864A EP 03779864 A EP03779864 A EP 03779864A EP 1567247 A1 EP1567247 A1 EP 1567247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber layer
particle trap
coating
channels
resistant fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP03779864A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1567247B1 (de
Inventor
Rolf BRÜCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP1567247A1 publication Critical patent/EP1567247A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1567247B1 publication Critical patent/EP1567247B1/de
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a high-temperature-resistant fiber layer for a particle trap for cleaning exhaust gases from mobile internal combustion engines and to such a particle trap itself.
  • hydrocarbons (HC) as well as carbon monoxides (CO) in the exhaust gas can be oxidized in a known manner, for example by bringing them into contact with components which may have a catalytically active surface.
  • the reduction of nitrogen oxides (NO x ) under oxygen-rich conditions is, however, more difficult.
  • a three-way catalytic converter, such as that used in Otto engines, does not produce the desired effects for diesel engines alone. For this reason, the process of selective catalytic reduction (SCR: "selective catalytic reduction”) was developed.
  • Storage catalysts were also tested for their use with regard to nitrogen oxide reduction.
  • the coating of a storage catalytic converter contains barium carbonate or oxide in addition to the usual precious metal components. This makes it possible for NO x to be stored if there is an excess of oxygen.
  • the nitrogen monoxide (NO) from the exhaust gas is oxidized to nitrogen dioxide (NO 2 ) on the precious metal components. This is then stored on the catalyst to form barium nitrate. With this storage, a nitrate layer forms on the barium grain, which slows down the storage because NO 2 has to pass through this layer for further storage. Since the storage capacity is limited, the catalyst must be regenerated at regular intervals.
  • particle traps which are constructed from a ceramic substrate. These have channels so that the exhaust gas to be cleaned can flow into the particle trap. Adjacent channels are mutually closed, so that the exhaust gas enters the channel on the inlet side, passes through a ceramic wall and escapes again through an adjacent channel on the outlet side.
  • Such filters achieve an effectiveness of approx. 95% across the entire range of particle sizes.
  • the regeneration of the particle trap is necessary because the increasing accumulation of particle particles in the duct walls to be flowed through results in a steadily increasing pressure loss that has a negative impact on engine performance.
  • the regeneration essentially comprises briefly heating the particle trap or the particles accumulated therein, so that the soot particles are converted into gaseous components. This can also be achieved, for example, by using an upstream exothermic reaction (e.g. oxidation of fuel additionally injected into the gas line in an oxidation catalyst ("afterburning")) for a short time to reach the temperatures sufficient for the particles adhering to the particle trap
  • an upstream exothermic reaction e.g. oxidation of fuel additionally injected into the gas line in an oxidation catalyst ("afterburning"
  • this high thermal stress on the particle trap has negative effects on the service life.
  • an oxidation catalytic converter which contains carbon monoxide (CO) and Converts hydrocarbons (HC) and in particular also converts nitrogen monoxide (NO) into nitrogen dioxide (NO 2 ).
  • CO carbon monoxide
  • HC hydrocarbons
  • NO nitrogen monoxide
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • the filter channels can be dispensed with. It is provided that the channel walls are at least partially made of porous or highly porous
  • the particle trap is open because no flow dead ends are provided. This property can thus also be used to characterize such particle filters, so that, for example, the parameter "flow free” is suitable for description.
  • a “flow free” of 20% means that, in a cross-sectional view, about 20% of the area can be seen through.
  • a particle trap then Can be described as open if it can basically be traversed completely by particles, including particles that are considerably larger than the particles that are actually to be filtered out (in particular the particle size range characteristic of diesel and / or gasoline fuel) Do not clog the filter even during agglomeration of particles during operation.
  • a suitable method for measuring the openness of particle traps is, for example, checking to what diameter spherical particles can still flow through such a filter.
  • a particle trap is particularly " open "when Kug Can still trickle through with a diameter greater than or equal to 0.1 mm, preferably balls with a diameter above 0.2 mm.
  • Such "open" filter elements can be found, for example, in documents DE 201 17 873 UI, DE 201 17 659 UI, WO 02/00326, WO 01/92692, WO 01/80978, the disclosure content of which is hereby fully made the subject of the present description.
  • the German utility model DE 89 08 738 UI provides information.
  • This document describes honeycomb bodies, in particular catalytic converter support bodies for motor vehicles, made of layered sheets, at least in some areas structured, which form the walls of a plurality of channels through which a fluid can flow.
  • the high-temperature-resistant metal fiber layer according to the invention for a particle trap for cleaning exhaust gases from mobile internal combustion engines is characterized in that at least in one section a coating is provided which is at least partially that of an oxidation catalyst and / or a 3-way catalyst and / or an SCR -Catalyst corresponds.
  • this section can also extend over the entire surface of the fiber layer.
  • this section can also extend over the entire surface of the fiber layer.
  • the at least one section can be located only on an outer surface or side of the high-temperature-resistant fiber layer.
  • Suitable catalyst substances can ensure that the oxidation processes for CO (carbon monoxide) and HC (hydrocarbons) in the exhaust gas take place at lower temperatures.
  • gaseous hydrocarbons and carbon monoxide can be oxidized in exhaust gas temperatures above 250 ° C. in the diesel engine exhaust gas.
  • the effective catalyst substance comprises platinum (Pt), palladium (Pd) or rhodium metal (Rh) in fine distribution on a large surface.
  • Pt platinum
  • Pd palladium
  • Rh rhodium metal
  • the catalyst carrier body volume is understood to mean the volume which comprises the material of the carrier (honeycomb structure, etc.) and the cavities, channels etc. formed by the carrier.
  • the coating of an SCR catalytic converter can optionally also have a multi-layer or multi-stage design.
  • a possible urea SCR catalyst system consists of several successive sub-areas of the coating which is applied to the fiber layer.
  • the partial areas can be arranged in the flow direction of the exhaust gas as follows: a coating of an oxidation catalytic converter (optional), the coating of a hydrolysis catalytic converter, the coating of an SCR catalytic converter and possibly a downstream oxidation catalytic converter.
  • the optional upstream oxidation catalytic converter is used to increase SCR activity at low exhaust gas temperatures (especially in diesel cars).
  • the reaction rate of the SCR reaction can be significantly increased in a temperature range below about 573 K.
  • the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide and the reaction of incomplete take place on the catalyst surface burned hydrocarbons to carbon dioxide and water. Without the use of such an upstream area with an oxidation coating, the oxidation of the hydrocarbons would take place in part on the SCR catalytic converter and thus cause a reduction in the nitrogen oxide conversion.
  • the complete decomposition of an aqueous urea solution is possible even at low temperatures, e.g. B. around 470 K. Below about 470 K, the decomposition of the urea proves to be problematic, since undesired by-products can arise due to incomplete decomposition.
  • the coating of the SCR catalyst serves for the selective reduction of the nitrogen oxides NO x with ammonia to the unproblematic products nitrogen and water.
  • the coating comprises washcoat. Coating the relatively smooth surfaces of the fibers with washcoat results in an enlargement of the catalytically active surface. On the one hand, this jagged surface ensures a sufficiently large amount of space for fixing a catalyst (e.g. platinum, rhodium, etc.) and, on the other hand, serves to swirl the exhaust gas flowing through, resulting in particularly intensive contact with the catalyst.
  • a catalyst e.g. platinum, rhodium, etc.
  • the application of the high-surface washcoat layer is carried out in such a way that the fiber layer (or later the entire particle trap composed of fiber layers and metal foils) is immersed in or sprayed with a liquid washcoat dispersion.
  • the excess washcoat dispersion is then removed, the washcoat is dried in the fiber layer and finally calcined at temperatures usually above 450 ° C.
  • the volatile constituents of the washcoat dispersion are expelled during the calcination, so that a temperature-resistant and catalyst-promoting layer with a high specific surface area is produced. If necessary, this process was repeated several times in order to achieve a desired layer thickness to reach.
  • the mean layer thickness is preferably in a range from 0.001 to 0.02 mm, in particular between 0.005 and 0.012 mm.
  • the washcoat usually consists of a mixture of an aluminum oxide and at least one promoter oxide such as rare earth oxides, zirconium oxide, nickel oxide, iron oxide, germanium oxide and barium oxide.
  • the washcoat dispersion must have the best possible flow properties during application to the honeycomb body in order to achieve a desired, uniform layer thickness over the entire channel length.
  • washcoat dispersions In order to achieve such a flow property, known washcoat dispersions have a specific pH, with only a limited proportion of solids being permitted. However, tests have shown that such a washcoat dispersion has a time-dependent viscosity. As a result, the washcoat dispersion gels very quickly and prevents the generation of a uniform layer thickness. This gelling can be delayed by keeping the washcoat dispersion in motion, that is to say either moving the dispersion or the filter layer wetted with it, in particular by stimulating it to vibrate.
  • the fiber layer it consists of a porous sintered and / or fiber material (eg steel).
  • a porous sintered and / or fiber material eg steel.
  • High-temperature-resistant and corrosion-resistant steels with relatively high proportions of chromium, nickel, aluminum and / or molybdenum are particularly suitable here.
  • the fiber layer has fibers with an average diameter that is smaller than 0.082 mm, in particular in a range from 0.01 to 0.05 mm.
  • the fiber layer have a porosity that is at least 50%, in particular at least 75%, preferably at least 85% and preferably even at least 95%.
  • such fiber layers are relatively good with fibers an average length of 0.4 mm to 0.05 mm can be produced, preferably smaller fiber lengths are chosen for thicker fibers.
  • the fiber layer have openings in a longitudinal section substantially parallel to the largest outer surface, which on average have an extension of 0.01 mm to 0.5 mm, in particular 0.05 mm to 0.25 mm.
  • the fiber layer can have fibers in almost any arrangement, including in particular random layers, fabrics or similar structures. Regular structures can also only exist regionally, while the remaining areas have a rather chaotic arrangement of the fibers.
  • a certain pore size be provided for use in exhaust systems of diesel engines.
  • a longitudinal section through the material is used to determine the pore size, which shows small cross sections of the pores or cavities, which are called openings here. All of these openings have an average size in the above range. Here, an average of all maximum extents of the openings recognizable in the longitudinal section is meant. Since the dimension of the opening relates to the fiber layer that has already been coated, a corresponding averaged fiber spacing can also be used, which should preferably be selected to be less than 0.6 mm, in particular between 0.05 mm and 0.35 mm.
  • the fiber layer have a thickness that is less than 3 mm, in particular less than 1.5 mm, preferably less than 0.5 mm and preferably less than 0.1 mm.
  • the thicknesses mentioned here have been selected with a view to the use of the fiber layer for particle traps for cleaning exhaust gases from mobile combustion aircraft machines.
  • a particle trap for cleaning exhaust gases from mobile internal combustion engines which has at least one, partially structured metal foil and at least one high-temperature-resistant fiber layer of the type described above, preferably with a plurality of structured metal foils and a plurality of fiber layers alternately with one another and in particular with one another are arranged in a housing.
  • an “open” particle trap is particularly formed, as described at the beginning. Accordingly, it is particularly advantageous to form an “open” filter element, as described in documents DE 201 17 873 UI, DE 201 17 659 UI, WO 02 / 00326, WO 01/92692, WO 01/80978.
  • the particle trap form channels running essentially parallel to the axis, with guide surfaces, preferably guide surfaces of the metal foil, protruding into at least some of the channels and causing gases flowing through the channels to be deflected towards the fiber layer.
  • guide surfaces can be formed by protrusions, knobs, milk crinkles, blades or similar structures. It is also possible for these guide surfaces to be formed by edges of holes in such metal foils. The guide surfaces themselves can also have holes.
  • the particle trap has a volume, and the coating amount of the particle trap in relation to this volume is in the range from 20 to 300 g / 1 (grams per liter), preferably even between 50 and 120 g / 1.
  • volume means the volume which is composed of the metal foils, the fiber layers and the channels formed. Such a volume is usually in the range from 0.01 1 to 1.5 1, preferably between 0.3 1 and 0.8 1.
  • the at least one, at least partially structured metal foil has openings that extend over at least one Structure width, preferably even over 2, in particular 3 structure widths. This means that, for example, such a breakthrough connects several adjacent channels formed by the structure. In this way, a particularly effective mixing of the partial exhaust gas flows is ensured without an undesirably high dynamic pressure being generated before the particle trap. It should also be noted that the openings essentially extend in the plane of the metal foil.
  • Fig. 1 shows schematically and in an exploded view a detail of a
  • Fig. 2 shows a further detail of an embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of an exhaust system of a mobile gluing air machine
  • Fig. 6 shows a further longitudinal section of a fiber layer in the coated state.
  • Fig. 1 shows schematically and in an exploded view a detail of a particle trap, such as that used for exhaust gas treatment of mobile Internal combustion engines is used.
  • Two fiber layers 1 according to the invention are shown, between which a metal foil 14 is arranged.
  • the fiber layers 1 each have a section 3 in which a coating 4 is arranged.
  • This coating 4 can be that of an oxidation catalytic converter, a three-way catalytic converter and / or an SCR catalytic converter.
  • the metal foils 14 also preferably have a catalytically active and / or storage coating (at least in partial areas).
  • the adjacent layers usually abut one another and are preferably connected to one another by joining technology, in particular soldered to one another. For this purpose, it is necessary, for example, not to coat a partial area, in particular the edge of the fiber layer 1, in order to ensure the possibility of forming joining connections here.
  • the structuring of the metal foil 14 has the result that this “sandwich” of smooth layers (fiber layer 1) and corrugated layer (metal foil 14) for an exhaust gas can be flowed through in a flow direction 21.
  • guide surfaces 18 are attached in the channels 17, which one Turbulence of the partial gas flows result, so that they are directed in particular against the coated fiber layer 1.
  • the structure of the metal foil 14 is here a corrugated structure with a predetermined structure width 36.
  • the guide surfaces 18 or openings 19 below are preferably larger than the structure width 36, so that a plurality of adjacent channels 17 can be connected to one another through the openings 19.
  • the metal foils 14 and the fiber layer 1 are arranged alternately, the structure of the metal foils 14 in connection with the fiber layer 1 forming channels 17 through which the exhaust gas can flow in a flow direction 21.
  • the channels 17 protrude guide surfaces 18, which were produced by stamping, pressing or in some other way from the metal foil 14 itself.
  • breakthroughs 19 are created at the same time, so that the one through the Channel 17 flowing gas "peeled" a partial edge flow and can be directed to the fiber layer 1.
  • the particles 22 are carried along and guided to the fiber layer 1. There they remain on the outer surface 9, for example, stick or are stored in cavities, pores or the like Openings of the fiber layer 1.
  • the fiber layer 12 shown here has a plurality of chaotically arranged fibers 6, which are provided with a coating 4. Overall, the fiber layer 1 has a thickness 12 that is less than 3 mm.
  • FIG. 3 schematically shows the structure of an exhaust system of an automotive internal combustion engine 13.
  • the exhaust gas generated in the internal combustion engine 13 is supplied to a wide variety of components for exhaust gas treatment via an exhaust line 23 before it is ultimately released into the environment.
  • the exhaust system which is shown in FIG. 3, has the following components in succession in the direction of flow 21: a starting catalytic converter 24, a turbocharger 25, an oxidation catalytic converter 26, a reducing agent supply 27, a mixer 28, a particle trap 2 according to the invention and a main catalytic converter 29.
  • the starting catalytic converter 24 is distinguished by its particularly small volume (for example less than 0.1 liter) and, due to its low heat capacity and its immediate proximity to the engine, is heated up to a point that a catalytic conversion of pollutants contained in the exhaust gas occurs very quickly after an engine has started is possible (eg temperatures above 230 ° C after a few seconds).
  • the function of the oxidation catalytic converter 26 in front of a particle trap 2 for regeneration has already been explained in detail above.
  • the reducing agent supply 27 and the mixer 28 serve, for example, to supply solid or liquid urea, so that it is also possible to convert pollutants using the SCR process.
  • the mixer 28 can be designed as a guide surface, grating, honeycomb body or in a similar manner.
  • the downstream main catalytic converter 29 usually has a relatively large volume, in particular greater than 1.5 liters.
  • the particle trap 2 for cleaning exhaust gases from mobile internal combustion engines comprises a structured metal foil 14 and a high-temperature-resistant fiber layer 1, which are arranged spirally around an axis 16 of the particle trap 2 (alternatively, simple stack arrangements are also possible , S-shaped loops or other turns of the metal foils and / or fiber layers possible).
  • the metal foil 14 and the fiber layer 1 form channels 17 which extend through the particle trap 2 essentially parallel to the axis 16.
  • the composite of metal foil 14 and fiber layer 1 is accommodated in a housing 15 and advantageously also connected to it by joining technology.
  • the housing 15 protrudes beyond the end faces 34 of the particle trap 2 or the metal foil 14 and the fiber layer 1.
  • the material thickness 30 of the corrugated metal foil 14 is preferably in a range below 0.05 mm, preferably even below 0.02 mm. It is particularly useful here that the material thickness 30 or the coating 4 (not shown) or other parameters of the particle trap 2 are not constant over the total length 31 of the particle trap 2. I.e., that the particle trap 2 has a lower heat capacity, a higher porosity, a greater load with regard to the catalytically active coating, an increased number / size of openings 19, guide surfaces 18 or fibers in a first length section 32 than in a second length section 33. In principle, the particle trap 2 can also be divided into more than two longitudinal sections.
  • the particle trap 2 shown has a volume 20, which is filled by the volume inside the fiber layer 1 and the metal foil 14
  • the volume of the channels 17 also is included.
  • the particle trap according to the invention is provided with an amount which is in the range from 20 to 300 g / l. It is possible for this amount to be arranged uniformly over the entire length 31 on the outer surfaces 9 of the fiber layer 1 and / or the cladding foils 14, but it is also possible for only the fiber layer 1 or only partial regions of the metal foil 14 to have a catalytically active coating 4 are provided. It is also possible for different types or amounts of the coating 4 to be provided in different lengths.
  • FIG. 5 schematically shows a longitudinal section 8 through the fiber layer 1.
  • the fiber layer 1 is formed by a multiplicity of fibers 6, which here are connected to one another partly in an orderly manner and partly in a chaotic manner.
  • the fibers 6 preferably have a diameter 7 in the range of 0.012 and 0.035 mm.
  • the arrangement of the fibers 6 in the longitudinal section 8 forms openings 10. These practically represent a cross section of the cavities that are formed in the interior of the fiber layer 1.
  • FIG. 6 also schematically shows a longitudinal section 8 of the fiber layer 1, the fibers 6 now having a coating 4.
  • the coating 4 comprises washcoat 5, which, owing to its jagged surface, provides sufficient possibility for the attachment of the catalytically active substances 35.
  • the longitudinal section 8 still has openings 10 with an extension 11. This expansion 11 of all openings 10 is on average between 0.05 and 0.4 mm. It is preferable to maintain a porosity of approximately 87% at the same time.
  • the present invention is the result of a large number of complex technical tests to improve the effectiveness of particle traps in exhaust systems of automotive internal combustion engines. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Hochtemperaturfeste Faserlage (1) aus Metallfasern für eine offene Partikelfalle (2) zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) zumindest in einem Abschnitt (3) eine katalytisch aktive und/oder adsorbierende Beschichtung (4) aufweist, insbesondere wie die eines Oxidationskatalysators und/oder eines 3-Wege-Katalysators und/oder eines SCR-Katalysators.

Description

Partikelfalle mit beschichteter Faserlage
Die Erfindung betrifft eine hochtemperaturfeste Faserlage für eine Partikelfalle zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen bzw. eine solche Partikelfalle selbst.
Betrachtet man die Reinigung von Abgasen, insbesondere von Dieselmotoren, so lassen sich Kohlenwasserstoffe (HC) wie auch Kohlenmonoxide (CO) im Abgas in bekannter Weise oxidieren, indem diese beispielsweise mit Komponenten in Kontakt gebracht werden, die ggf. eine katalytisch aktiven Oberfläche aufweisen. Die Reduktion von Stickoxiden (NOx) unter sauerstoffreichen Bedingungen ist allerdings schwieriger. Ein Drei-Wege-Katalysator, wie er beispielsweise bei Otto-Motoren eingesetzt wird, bringt allein für Dieselmotoren nicht die gewünschten Effekte. Aus diesem Grunde wurde beispielsweise das Verfahren der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR: „selective catalytic reduction") entwickelt.
Weiterhin wurden Speicherkatalysatoren auf ihren Einsatz im Hinblick auf die Stickoxid-Reduktion erprobt. Die Beschichtung eines Speicherkatalysators enthält außer den üblichen Edelmetall-Komponenten noch Bariumkarbonat oder -oxid. Dadurch ist es möglich, dass bei Sauerstoffüberschuss NOx gespeichert werden kann. Auf den Edelmetallkomponenten wird das Stickstoffmonoxid (NO) aus dem Abgas zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert. Dieses wird dann unter Bildung von Bariumnitrat auf den Katalysator gespeichert. Bei dieser Speicherung bildet sich auf dem Barium-Korn eine Nitrat-Schicht, die die Speicherung verlangsamt, weil NO2 für eine weitere Speicherung durch diese Schicht hindurchdringen muss. Da die Speicherkapazität also begrenzt ist, muss der Katalysator in regelmäßigen Abständen regeneriert werden. Dies geschieht beispielsweise durch kurzes Anfetten des Abgases, d. h. durch eine kurze Periode mit unterstöchiometrischen Bedingungen. In reduzierter Atmosphäre wandelt sich das Nitrat wieder zu (z. B.) Karbonat um und Stickstoffmonoxid wird frei. Dieses wird sofort zu Stickstoff reduziert. Da die Regeneration schneller abläuft als die Speicherung, können die Regenerationsperioden wesentlich kürzer sein als die Speicherperioden.
Zur Reduktion von Partikel-Emissionen sind Partikelfallen bekannt, welche aus einem keramischen Substrat aufgebaut sind. Diese weisen Kanäle auf, so dass das zu reinigende Abgas in die Partikelfalle einströmen kann. Benachbarte Kanäle sind wechselseitig verschlossen, so dass das Abgas auf der Eintrittsseite in den Kanal eintritt, durch eine keramische Wand hindurchtritt und durch einen benachbarten Kanal auf der Austrittsseite wieder entweicht. Derartige Filter erreichen eine Effektivität von ca. 95 % über die gesamte Breite der auftretenden Partikelgrößen.
Zusätzlich zu chemischen Wechselwirkungen mit Additiven und speziellen Beschichtungen stellt die sichere Regeneration des Filters im Abgassystem eines Automobils immer noch ein Problem dar. Die Regeneration der Partikelfalle ist erforderlich, da die zunehmende Ansammlung von Partikelteilchen in den zu durchströmenden Kanalwänden einen stetig steigenden Druckverlust zur Folge hat, der negative Auswirkungen auf die Motorleistung hat. Die Regeneration umfasst im wesentlichen das kurzzeitige Aufheizen der Partikelfalle bzw. der darin angesammelten Partikel, so dass die Rußpartikel in gasformige Bestandteile umgesetzt werden. Dies kann beispielsweise auch dadurch erreicht werden, dass mit Hilfe einer vorgeschalteten exothermen Reaktion (z.B. Oxidation von zusätzlich in die Angasleitung eingespritztem Kraftstoff in einem Oxidationskatalysator („Nachverbrennung")) das Abgas kurzzeitig die Temperaturen erreicht, die ausreichen, die in der Partikelfalle haftenden Partikel umzuwandeln. Diese hohe thermische Beanspruchung der Partikelfalle hat allerdings negative Auswirkungen auf die Lebensdauer.
Zur Vermeidung dieser diskontinuierlichen und thermisch sehr verschleißfördernden Regeneration wurde ein System zur kontinuierlichen Regeneration von Filtern entwickelt (CRT: „continuous regeneration trap"). In einem solchen System werden die Partikel bei Temperaturen bereits oberhalb von 200°C mittels Oxidation mit NO2 verbrannt. Das hierzu erforderliche NO2 wird häufig durch einen Oxidationskatalysator erzeugt, der stromaufwärts vor der Partikelfalle angeordnet ist. Hierbei stellt sich jedoch gerade im Hinblick auf die Anwendung bei Kraftfahrzeugen mit Diesel-Kraftstoff das Problem, dass nur ein unzureichender Anteil von Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas existiert, welcher zu dem gewünschten Stickstoffdioxid (NO2) umgewandelt werden kann. Infolgedessen kann bislang nicht sichergestellt werden, dass eine kontinuierliche Regeneration der Partikelfalle im Abgassystem stattfindet.
Es ist weiter zu berücksichtigen, dass neben nichtumwandelbaren Partikeln auch Öl oder zusätzliche Rückstände von Additiven in einer Partikelfalle angelagert werden, die nicht ohne weiteres regeneriert werden können. Aus diesem Grund müssen bekannte Filter in regelmäßigen Abständen ausgetauscht und/oder gewaschen werden.
Zusätzlich zu einer minimalen Reaktionstemperatur und einer spezifischen Verweildauer muss zur kontinuierlichen Regeneration von Partikeln mit NO2 ausreichend Stickoxid zur Verfügung gestellt werden. Tests bezüglich der dynamischen Emission von Stickstoffmonoxid (NO) und Partikeln haben klar hervorgebracht, dass die Partikel gerade dann emittiert werden, wenn kein oder nur sehr wenig Stickstoffmonoxid im Abgas vorhanden ist und umgekehrt. Daraus folgt, dass ein Filter mit realer kontinuierlicher Regeneration im wesentlichen. als Kompensator oder Speicher fungieren muss, so dass gewährleistet ist, dass die beiden Reaktionspartner zu einem gegebenen Zeitpunkt gleichzeitig in den benötigten Mengen im Filter vorhanden sind. Weiterhin ist der Filter möglichst nahe an der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen, um bereits unmittelbar nach dem Kaltstart möglichst hohe Temperaturen annehmen zu können. Zur Bereitstellung des erforderlichen Stickstoffdioxides ist dem Filter ein Oxidationskatalysator vorzuschalten, welcher Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) umsetzt und insbesondere auch Stickstoffmonoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO2) konvertiert. Bei einer motornahen Anordnung dieses Systems aus Oxidationskatalysator und Filter ist insbesondere die Position vor einem Turbolader geeignet, der bei Diesel-Kraftfahrzeugen häufig zur Erhöhung des Ladedrucks in der Brennkammer verwendet wird.
Betrachtet man diese grundsätzlichen Überlegungen, so stellt sich für den tatsächlichen Einsatz im Automobilbau die Frage, wie ein derartiger Filter aufgebaut ist, der in einer solchen Position und in Anwesenheit extrem hoher thermischer und dynamischer Belastungen einen zufrieden stellenden Filterwirkungsgrad aufweist. Dabei sind insbesondere die räumlichen Gegebenheiten zu berücksichtigen, die ein neues Konzept für Filter bedingen. Während bei den klassischen Filtern, welche im Unterboden eines Kfzs angeordnet wurden, ein möglichst großes Volumen im Vordergrund stand, um eine hohe Verweilzeit der noch nicht umgesetzten Partikel im Filter und somit eine hohe Effizienz zu gewährleisten, besteht bei einer motornahen Anordnung nicht genügend Platz bzw. Raum zur Verfügung.
Hierzu wurde ein neues Konzept entwickelt, welches im wesentlichen unter dem Begriff „offenes Filtersystem" bekannt geworden ist. Diese offenen Filtersysteme zeichnen sich dadurch aus, dass auf ein konstruktives, wechselseitiges
Verschließen der Filterkanäle verzichtet werden kann. Dabei wird vorgesehen, dass die Kanalwände zumindest teilweise aus porösem oder hochporösem
Material aufgebaut sind und dass die Strömungskanäle des offenen Filters Umlenk- oder Leitstrukturen aufweist. Diese Einbauten bewirken, dass die
Strömung bzw. die darin enthaltenen Partikel hin zu den Bereichen aus porösem oder hochporöserem Material gelenkt werden. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Partikel durch Interception und/oder Impaktion an und/oder in der porösen Kanalwand haften bleiben. Für das Zusammenkommen dieser Wirlcung sind die Druclcunterschiede im Strömungsprofil des strömenden
Abgases von Bedeutung. Durch die Umlenkung können zusätzlich lokale Unterdruck- oder Überdruckverhältnisse entstehen, die zu einem Filtrationseffekt durch die poröse Wand hindurch führen, da die obengenannten Druckunterschiede ausgeglichen werden müssen.
Die Partikelfalle ist dabei im Gegensatz zu den bekannten geschlossenen Sieboder Filtersystemen offen, weil keine Strömungssackgassen vorgesehen sind. Diese Eigenschaft kann somit auch zur Charakterisierung derartiger Partikelfilter dienen, so dass beispielsweise der Parameter „Strömungsfreiheit" zur Beschreibung geeignet ist. So bedeutet eine „Strömungsfreiheit" von 20 %, dass in einer Querschnittsbetrachtung ca. 20 % der Fläche durchschaubar sind. Bei einem Partikelfilter mit einer Kanaldichte von ca. 600 cpsi („cells per Square inch") mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,8 mm entspräche diese Strömungsfreiheit einer Fläche von über 0,1 mm . Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine Partikelfalle dann als offen zu bezeichnen ist, wenn er grundsätzlich von Partikeln vollständig durchlaufen werden kann, und zwar auch von Partikeln, die erheblich größer als die eigentlich herauszufilternden Partikel sind (insbesondere der für den Diesel- und/oder Benzinkraftstoff charakteristische Partikelgrößenbereich). Dadurch kann ein solcher Filter selbst bei einer Agglomeration von Partikeln während des Betriebes nicht verstopfen. Ein geeignetes Verfahren zur Messung der Offenheit von Partikelfallen ist beispielsweise die Prüfung, bis zu welchem Durchmesser kugelförmige Partikel noch durch einen solchen Filter rieseln können. Bei vorliegenden Anwendungsfällen ist eine Partikelfalle insbesondere dann „offen", wenn Kugeln von größer oder gleich 0,1 mm Durchmesser noch hindurchrieseln können, vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser oberhalb von 0,2 mm. Solche „offenen" Filterelemente gehen beispielsweise aus den Dokumenten DE 201 17 873 UI, DE 201 17 659 UI, WO 02/00326, WO 01/92692, WO 01/80978 hervor, deren Offenbarungsinhalt hiermit vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht ist. Im Hinblick auf die allgemeine Ausgestaltung von Wabenkörpern mit internen Strömungsleitflächen gibt beispielsweise das deutsche Gebrauchsmuster DE 89 08 738 UI Hinweise. Dieses Dokument beschreiben Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper für Kraftfahrzeuge, aus lagenweise angeordneten, zumindest in Teilbereichen strulcturierten Blechen, welche die Wände einer Vielzahl von für ein Fluid durchströmbare Kanäle bilden. Dort wird beschrieben, dass in den meisten Anwendungsfällen und bei den üblichen Dimensionierungen solcher Wabenlcörper die Strömung in den Kanälen im wesentlichen laminar ist, d. h. sehr kleine Kanalquerschnitte verwendet werden. Unter diesen Bedingungen bauen sich an den Kanalwänden relativ dicke Grenzschichten auf, welche einen Kontakt der Kernströmung in den Kanälen mit den Wänden verringern. Um eine Verwirbelung des Abgasstromes im Inneren der Kanäle zu bewirken und somit einen intensiven Kontakt des gesamten Abgasstromes mit einer katalytisch aktiven Oberfläche der Kanäle zu gewährleisten, werden hier Umstülpungen vorgeschlagen, die im Inneren des Kanals Anströmflächen bilden, so dass das Abgas quer zur Hauptströmungsrichtung abgelenkt wird.
Gerade im Hinblick auf die Realisierung einer solchen offenen Partikelfalle ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effektivität im Hinblick auf die Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen zu verbessern.
Insbesondere soll die Möglichkeit eröffnet werden, Abgasanlagen insbesondere für Automobile mit Dieselmotor von besonders kleiner Bauart bereitzustellen.
Zudem soll die Fertigung, die Montage und die Wartung derartiger Abgasanlagen deutlich vereinfacht und damit kostengünstiger gestaltet werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine hochtemperaturfeste Faserlage für eine Partikelfalle zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Partikelfalle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben, wobei die dort aufgezeigten Merkmale einzeln oder in jeder beliebigen, sinnvollen Kombination miteinander auftreten können.
Die erfindungsgemäße hochtemperaturfeste Faserlage aus Metall für eine Partikelfalle zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrermungskraftmaschinen zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest in einem Abschnitt eine Beschichtung vorgesehen ist, die zumindest teilweise der eines Oxidationskatalysators und/oder eines 3 -Wege-Katalysators und/oder eines SCR-Katalysators entspricht.
Die Vorsehung einer solchen katalytisch aktiven Beschichtung hat eine Vielzahl von Vorteilen, die anschließend kurz umrissen werden sollen. So kann beispielsweise erreicht werden, dass die ursprünglich im Abgassystem vorgesehenen Komponenten zur Oxidation bzw. Reduktion und/oder Speicherung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen kleinvolumiger ausgeführt werden können oder sogar ganz auf sie verzichtet werden kann. Dies hat zur Folge, dass das Abgassystem als solches deutlich schlanker bzw. kleiner ausgeführt werden kann, wodurch ein einfacher Aufbau, eine einfache Instandhaltung und eine kostengünstige Herstellung des Abgassystems ermöglicht wird. Zudem werden überraschenderweise auch synergetische Effekte bewirkt. So werden beispielsweise direkt im Inneren einer mit einer solche Faserlage ausgestatteten Partikelfalle Abgasbestandteile generiert, die bei der Umsetzung bzw. Beseitigung der angelagerten Partikel behilflich sind. Diese Abgasbestandteile werden also nahe der Oberfläche der Faserlage, an der die Partikel haften, direkt erzeugt und bereitgestellt. Somit kann beispielsweise die Regenerierungstemperatur der Partikelfalle auch deutlich gesenkt werden, zum Beispiel von über 900 °C auf Temperaturen unterhalb von 600 °C.
Im Hinblick auf die Anordnung des mindestens einen Abschnitts der Faserlage sei angemerkt, dass sich dieser Abschnitt auch über die gesamte Oberfläche der Faserlage erstrecken kann. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Abschnitte vorzusehen, wobei diese beschichtet und/oder teilweise auch unbeschichtet sein können, wobei ggf. auch unterschiedliche Beschichtungsarten, voneinander verschiedene Abschnittsformen oder Abschnittsflächeninhalte gewählt werden können. Es ist auch möglich, dass sich der mindestens eine Abschnitt nur auf einer Außenfläche bzw. -seite der hochtemperaturfesten Faserlage befindet.
Im Hinblick auf die Eigenschaften der Beschichtung eines Oxidationskatalysators ist festzuhalten, dass solche Katalysatoren dazu dienen, die Geschwindigkeit bestimmter Reaktion zu erhöhen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Durch geeignete Katalysatorsubstanzen kann erreicht werden, dass die Oxidationsvorgänge für CO (Kohlenmonoxid) und HC (Kohlenwasserstoffe) im Abgas bei tieferen Temperaturen ablaufen. Mit Hilfe derartiger Beschichtungen, die in der Regel Katalysatorsubstanzen der Platingruppe enthalten, können gasformige Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid bei Abgastemperaturen schon oberhalb von 250 °C im dieselmotorischen Abgas oxidiert werden. Eine Besonderheit derartiger Oxidationsbeschichtungen ist darin zu sehen, dass hier unter Umständen eine Nachverbrennung der noch an Rußpartikeln anlagernden Kohlenwasserstoffe stattfindet, wodurch die Partikelemission weiter reduziert werden kann. Bislang hatte man sich gescheut, eine derartige Kombination von oxidationsfördernden Beschichtungen und Filterelementen in einer Einheit vorzusehen, da befürchtet wurde, dass die katalytisch aktiven Substanzen aufgrund einer zunehmenden Abdeckung mit Partikeln beeinträchtigt werden würden. Von diesem Vorurteil der Fachwelt wurde bei der Erfindung abgewichen und eine hochtemperaturfeste Faserlage entwickelt, die die Herstellung von besonders effektiven Partikelfallen ermöglicht.
Sollen die drei Schadstofrkomponenten CO, HC und NOx (Stickoxide) durch Nachreaktion vermindert werden, so kann dies durch eine Beschichtung der Faserlage mit einer solchen des 3 -Wege-Katalysators erreicht werden. Die wirksame Katalysatorsubstanz umfasst dabei Platin- (Pt), Palladium- (Pd) bzw. Rhodiummetall (Rh) in feiner Verteilung auf einer großen Oberfläche. Bei einem Lambdawert von 1 wird CO zu Kohlendioxid (CO2), CH zu CO2 und Wasser (H2O) oxidiert und NOx zu Stickstoff (N2) reduziert. Dabei bietet sich folgende Beschichtung hinsichtlich des Oxidationskatalysators an:
Pt/Pd = 2/1
0,93 - 1,2 Gramm Pt/LiterKatalysatorträgervolumen 0,46 - 0,6 Gramm Pt/LiterKatalysatorträgervolumen
Betreffend den Multifunktionskatalysator (Reduktion) wird vorgeschlagen, dass folgende Beziehungen gelten: Pt/Rh = 5/1
1,16 - 1,5 Gramm Pt/Literκatalysatorträgervolumen 1,23 - 0,3 Gram Rh/Literκatalysatorträgeι-volumen
Unter Katalysatorträgerkörpervolumen wird das Volumen verstanden, welches das Material des Trägers (Wabenstruktur, etc) und die vom Träger gebildeten Hohlräume, Kanäle usw. umfasst.
Die Beschichtung eines SCR-Katalysators kann ggf. auch mehrschichtig bzw. mehrstufig ausgebildet sein. Ein mögliches Harnstoff-SCR-Katalysatorsystem besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Teilbereichen der Beschichtung, die auf die Faserlage aufgetragen ist. Die Teilbereiche können dabei in Strömungsrichtung des Abgases folgendermaßen angeordnet sein: eine Beschichtung eines Oxidationskatalysators (optional), die Beschichtung eines Hydrolysekatalysators, die Beschichtung eines SCR-Katalysators und ggf. ein nachgeschalteter Oxidationskatalysator. Der optional vorgeschaltete Oxidationskatalysator dient zur Erhöhung der SCR- Aktivität bei tiefen Abgastemperaturen (insbesondere beim Diesel-Pkw). Durch eine Anhebung des NO2-Anteils (Optimum: 50 Vol.-%) im Abgas mittels teilweiser Oxidation von NO kann die Reaktionsgeschwindigkeit der SCR- Reaktion in einem Temperaturbereich unterhalb von etwa 573 K deutlich gesteigert werden. Daneben erfolgt an der Katalysatoroberfläche die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid sowie die Reaktion von unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser. Ohne Einsatz eines solch vorgelagerten Bereichs mit einer Oxidationsbeschichtung würde die Oxidation der Kohlenwasserstoffe zum Teil am SCR-Katalysator erfolgen und somit eine Minderung des Stickstoffoxid-Umsatzes hervorrufen.
Mit Hilfe der Beschichtung eines Hydrolysekatalysators gelingt die vollständige Zersetzung einer wässrigen Harnstofflösung bereits bei niedrigen Temperaturen, z. B. um 470 K. Unterhalb von ca. 470 K erweist sich die Zersetzung des Harnstoffs als problematisch, da aufgrund einer unvollständigen Zersetzung unerwünschte Nebenprodukte entstehen können. Die Beschichtung des SCR- Katalysators dient zur selektiven Reduktion der Stickstoffoxide NOx mit Ammoniak zu den unproblematischen Produkten Stickstoff und Wasser.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der hochtemperaturfesten Faserlage umfasst die Beschichtung Washcoat. Die Beschichtung der relativ glatten Oberflächen der Fasern mit Washcoat hat eine Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche zur Folge. Diese zerklüftete Oberfläche gewährleistet einerseits ein ausreichend großes Platzangebot für die Fixierung eines Katalysators (z.B. Platin, Rhodium etc.) und dient andererseits zur Verwirbelung des durchströmenden Abgases, wobei ein besonders intensiver Kontakt zum Katalysator bewirkt wird.
Das Auftragen der die Katalyse fordernden hochoberflächigen Washcoat-Schicht erfolgt bekanntermaßen in der Weise, dass die Faserlage (oder später die gesamte Partikelfalle aus Faserlagen und Metallfolien) in eine flüssigen Washcoat- Dispersion getaucht oder mit dieser besprüht wird. Anschließend wird die überschüssige Washcoat-Dispersion entfernt, der Washcoat in der Faserlage getrocknet und abschließend bei Temperaturen meist über 450 °C kalziniert. Während des Kalzinierens werden die flüchtigen Bestandteile der Washcoat- Dispersion ausgetrieben, so dass eine temperaturbeständige und katalysefördernde Schicht mit hoher spezifischer Oberfläche erzeugt wird. Gegebenenfalls wurde dieser Vorgang mehrfach wiederholt, um eine gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Die mittlere Schichtdicke liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 0,001 bis 0,02 mm, insbesondere zwischen 0,005 und 0,012 mm.
Der Washcoat besteht gewöhnlich aus einer Mischung eines Aluminiumoxids und mindestens einem Promoteroxid wie beispielsweise Seltenerdoxiden, Zirkonoxid, Nickeloxid, Eisenoxid, Germaniumoxid und Bariumoxid. Die Washcoat- Dispersion muss dabei während des Auftragens auf den Wabenkörper eine möglichst gute Fließeigenschaft aufweisen, um eine gewünschte, gleichmäßige Schichtdicke über die gesamte Kanallänge zu erzielen.
Zur Erzielung einer derartigen Fließeigenschaft weisen bekannte Washcoat- Dispersionen einen bestimmten pH-Wert auf, wobei nur ein begrenzter Feststoffanteil erlaubt wird. Allerdings haben Versuche gezeigt, dass eine derartige Washcoat-Dispersion eine zeitabhängige Viskosität aufweist. Dies hat zur Folge, dass die Washcoat-Dispersion sehr rasch geliert und die Generierung einer gleichmäßigen Schichtdicke verhindert. Dieses Gelieren kann dadurch verzögert werden, dass die Washcoat-Dispersion in Bewegung gehalten wird, also entweder die Dispersion oder die damit benetzte Filterlage bewegt, insbesondere zum Vibrieren angeregt wird.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Faserlage besteht diese aus einem porösen Sinter- und/oder Faserwerkstoff (z.B. Stahl). Insbesondere bieten sich hier hochtemperaturfeste und korrosionsbeständige Stähle mit relativ hohen Anteilen von Chrom, Nickel, Aluminium und/oder Molybdän an. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Faserlage Fasern mit einem mittleren Durchmesser aufweist, der kleiner als 0,082 mm ist, insbesondere in einem Bereich von 0,01 bis 0,05 mm liegt. Um zu vermeiden, dass eine solche Filterlage einen hohen Staudruck im Abgasstrom erzeugt, wird vorgeschlagen, dass die Faserlage eine Porosität hat, die mindestens 50 % beträgt, insbesondere mindestens 75 %, bevorzugt mindestens 85 % und vorzugsweise sogar mindestens 95 %. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass sich solche Faserlagen relativ gut mit Fasern einer gemittelten Länge von 0,4 mm bis 0,05 mm herstellen ließen, wobei bevorzugt kleinere Faserlängen bei dickeren Fasern zu wählen sind.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Faserlage in einem Längsschnitt im wesentlichen parallel zur größten Außenfläche Öffnungen hat, die im Mittel eine Ausdehnung von 0,01 mm bis 0,5 mm haben, insbesondere von 0,05 mm bis 0,25 mm. Grundsätzlich sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Faserlage Fasern in nahezu beliebiger Anordnung aufweisen kann, insbesondere hierunter auch Wirrlagen, Gewebe oder ähnliche Strukturen zu verstehen sind. Dabei können regelmäßige Strukturen auch nur regional vorliegen, während in den restlichen Bereichen eine eher chaotische Anordnung der Fasern vorliegt.
Um sicherzustellen, dass ausreichend große Hohlräume für Partikel bzw. deren Agglomerate vorgesehen sind, wird hier gerade für die Anwendung in Abgassystemen von Dieselmotoren vorgeschlagen, dass eine gewisse Porengröße bereitgestellt wird. Zur Ermittlung der Porengröße dient hier ein Längsschnitt durch das Material, der kleine Querschnitte der Poren bzw. Hohlräume aufzeigt, die hier Öffnungen genannt sind. All diese Öffnungen haben im Mittel eine Ausdehnung im obengenannten Bereich. Dabei ist hier ein Mittelwert aller maximalen Ausdehnungen der im Längsschnitt erkennbaren Öffnungen gemeint. Da sich die Abmessung der Öffnung auf die bereits beschichtete Faserlage bezieht, kann auch ein entsprechender gemittelter Faserabstand herangezogen werden, der bevorzugt kleiner als 0,6 mm zu wählen ist, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,35 mm.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Faserlage eine Dicke hat, die kleiner 3 mm beträgt, insbesondere kleiner 1,5 mm, bevorzugt kleiner 0,5 mm und vorzugsweise kleiner 0,1 mm. Die hier genannten Dicken sind gerade im Hinblick auf den Einsatz der Faserlage für Partikelfallen zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungslcraftmaschinen gewählt. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Partikelfalle zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, welche zumindest eine, teilweise strukturierte Metallfolie und zumindest eine hochtemperaturfeste Faserlage nach der oben beschriebenen Bauart hat, wobei bevorzugt mehrere strukturierte Metallfolien und mehrere Faserlagen abwechselnd zueinander und insbesondere miteinander gewunden in einem Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist insbesondere eine „offene" Partikelfalle gebildet, wie sie eingangs beschrieben wurde. Demnach ist es sonders vorteilhaft, ein „offenes" Filterelement zu bilden, wie es in den Dokumenten DE 201 17 873 UI, DE 201 17 659 UI, WO 02/00326, WO 01/92692, WO 01/80978 beschrieben ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Partikelfalle im wesentlichen parallel zur Achse verlaufende Kanäle bildet, wobei Leitflächen, vorzugsweise Leitflächen der Metallfolie, in zumindest einen Teil der Kanäle hineinragen und eine Umlenkung von durch die Kanäle strömenden Gasen hin zur Faserlage bewirken. Derartige Leitflächen können durch Vorsprünge, Noppen, Milcrowellungen, Schaufeln oder ähnliche Strukturen gebildet sein. Es ist auch möglich, dass diese Leitflächen durch Kanten von Löchern in derartigen Metallfolien gebildet sind. Die Leitflächen selbst können ebenfalls Löcher aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat die Partikelfalle ein Volumen, und die Beschichtungsmenge der Partikelfalle in Bezug auf dieses Volumen liegt im Bereich von 20 bis 300 g/1 (Gramm pro Liter), bevorzugt sogar zwischen 50 und 120 g/1. Unter Volumen ist in diesem Zusammenhang das Volumen gemeint, welches sich aus den Metallfolien, den Faserlagen sowie den gebildeten Kanäle zusammensetzt. Üblicherweise liegt ein solches Volumen im Bereich von 0,01 1 bis 1,5 1, bevorzugt zwischen 0,3 1 und 0,8 1.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine, zumindest teilweise strukturierte Metallfolie Durchbrüche aufweist, die sich über mindestens eine Strukturweite erstrecken, vorzugsweise sogar über 2, insbesondere 3 Strukturweiten. Das bedeutet, dass beispielsweise ein solcher Durchbruch mehrere durch die Struktur gebildete, benachbarte Kanäle miteinander verbindet. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Durchmischung der Teilabgasströme gewährleistet, ohne dass vor der Partikelfalle ein unerwünscht hoher Staudruck erzeugt wird. Dabei sei noch angemerkt, dass sich die Durchbrüche im wesentlichen in der Ebene der Metallfolie erstrecken.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf begrenzt ist. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und in einer Explosionsdarstellung ein Detail einer
Partikelfalle gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein weiteres Detail einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Partikelfalle,
Fig. 3 schematisch eine Ausgestaltung eines Abgassystems einer mobilen Verbreimungsl aftmaschine,
Fig. 4 schematisch und perspektivisch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Partikelfalle,
Fig. 5 schematisch einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Faserlage, und
Fig. 6 einen weiteren Längsschnitt einer Faserlage im beschichteten Zustand.
Fig. 1 zeigt schematisch und in einer Explosionsdarstellung ein Detail einer Partikelfalle, wie sie beispielsweise zur Abgasbehandlung von mobilen Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Dargestellt sind zwei erfmdungs gemäße Faserlagen 1, zwischen die eine Metallfolie 14 angeordnet ist. Die Faserlagen 1 weisen jeweils einen Abschnitt 3 auf, in dem eine Beschichtung 4 angeordnet ist. Bei dieser Beschichtung 4 kann es sich um die eines Oxidationskatalysators, eines Drei- Wege-Katalysators und/oder eines SCR- Katalysators handeln. Bevorzugt weisen auch die Metallfolien 14 (zumindest in Teilbereichen) eine katalytisch aktive und/oder speichernde Beschichtung auf. Üblicherweise liegen die benachbarten Lagen aneinander an und sind bevorzugt fügetechnisch miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet. Hierzu ist es beispielsweise erforderlich, einen Teilbereich, insbesondere den Rand der Faserlage 1 nicht zu beschichten, um hier die Möglichkeit zur Ausbildung fügetechnischer Verbindungen zu gewährleisten.
Die Strukturierung der Metallfolie 14 hat zur Folge, dass dieses „Sandwich" aus glatten Lagen (Faserlage 1) und Welllage (Metallfolie 14) für ein Abgas in einer Strömungsrichtung 21 durchströmt werden kann. Dabei sind Leitflächen 18 in den Kanälen 17 angebracht, die eine Verwirbelung der Teilgasströme zur Folge haben, so dass diese insbesondere gegen die beschichtete Faserlage 1 geleitet werden. Die Struktur der Metallfolie 14 ist hier eine Wellstruktur mit einer vorgegebenen Strulcturweite 36. Bevorzugt sind die Leitflächen 18 bzw. darunterliegende Durchbrüche 19 größer ausgeführt, als die Strukturweite 36, so dass durch die Durchbrüche 19 mehrere benachbarte Kanäle 17 miteinander verbunden werden können.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Metallfolien 14 und einer Faserlage 1 im Detail. Wiederum sind die Metallfolien 14 und die Faserlage 1 abwechselnd angeordnet, wobei die Struktur der Metallfolien 14 in Verbindung mit der Faserlage 1 Kanäle 17 bildet, die für das Abgas in einer Strömungsrichtung 21 durchströmbar sind. In die Kanäle 17 hinein ragen Leitflächen 18, die durch Stanzen, Drücken oder auf andere Weise aus der Metallfolie 14 selbst hergestellt wurden. Dadurch sind gleichzeitig Durchbrüche 19 geschaffen, so dass von dem durch den einen Kanal 17 strömenden Gas eine Teilrandströmung „abgeschält" und zur Faserlage 1 hingeleitet werden kann. Auf diese Weise werden auch die Partikel 22 mitgerissen und zur Faserlage 1 geführt. Dort bleiben sie auf der Außenfläche 9 beispielsweise kleben oder lagern sich in Hohlräumen, Poren oder ähnlichen Öffnungen der Faserlage 1 an. Die hier dargestellte Faserlage 12 weist eine Mehrzahl chaotisch angeordneter Fasern 6 auf, die mit einer Beschichtung 4 versehen sind. Insgesamt hat die Faserlage 1 eine Dicke 12, die kleiner als 3 mm ist.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Abgasanlage einer automobilen Verbrennungskraftmaschine 13. Das in der Verbrennungsl aftmaschine 13 generierte Abgas wird über eine Abgasleitung 23 den unterschiedlichsten Komponenten zur Abgasbehandlung zugeführt, bevor es letztendlich an die Umgebung abgegeben wird. Das Abgassystem, das in Fig. 3 dargestellt ist, weist in Strömungsrichtung 21 hintereinander folgende Komponenten auf: Einen Startkatalysator 24, einen Turbolader 25, einen Oxidationskatalysator 26, eine Reduktionsmittelzufuhr 27, einen Mischer 28, eine erfindungsgemäße Partikelfalle 2 sowie einen Hauptkatalysator 29.
Der Startkatalysator 24 zeichnet sich durch sein besonders kleines Volumen (beispielsweise kleiner 0,1 Liter) aus und ist aufgrund seiner geringen Wärmekapazität und seiner unmittelbaren Nähe zum Motor bereits sehr kurzer Zeit nach einem Motorstart soweit aufgeheizt, dass eine katalytische Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen möglich ist (z.B. Temperaturen oberhalb von 230°C nach wenigen Sekunden). Die Funktion des Oxidationskatalysators 26 vor einer Partikelfalle 2 zur Regenerierung wurde bereits oben ausführlich erläutert. Die Reduktionsmittelzufuhr 27 und der Mischer 28 dient beispielsweise der Zufuhr von festem oder flüssigen Harnstoff, so dass auch eine Umsetzung von Schadstoffen mit dem SCR- Verfahren möglich ist. Der Mischer 28 kann als Leitfläche, Gitter, Wabenkörper oder in ähnlicher Weise ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich, den Mischer 28 vor der Partikelfalle 2 wegzulassen, da der Partikelfilter 2 selbst ebenfalls eine Verwirbelung der Abgasströme bzw. eine feine Verteilung des eingeleiteten Reduktionsmittels bewirkt. Der nachgeschaltete Hauptkatalysator 29 weist üblicherweise ein relativ großes Volumen auf, insbesondere größer 1,5 Liter.
Fig. 4 zeigt perspektivisch und schematisch den Aufbau einer Partikelfalle 2. Die Partikelfalle 2 zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen umfasst eine strukturierte Metallfolie 14 und eine hochtemperaturfeste Faseriage l, die spiralig um eine Achse 16 der Partikelfalle 2 angeordnet sind (alternativ sind auch einfache Stapelanordnungen, S-förmige Schlingungen oder andere Windungen der Metallfolien und/oder Faserlagen möglich). Die Metallfolie 14 und die Faserlage 1 bilden Kanäle 17, welche sich im wesentlichen parallel zur Achse 16 durch die Partikelfalle 2 hindurch erstrecken. Der Verbund aus Metallfolie 14 und Faserlage 1 ist in einem Gehäuse 15 untergebracht und vorteilhafterweise auch mit diesem fügetechnisch verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform der Partikelfalle 2 ragt das Gehäuse 15 über die Stirnflächen 34 der Partikelfalle 2 bzw. der Metallfolie 14 und der Faserlage 1 hervor. Die Materialstärke 30 der gewellten Metallfolie 14 liegt bevorzugt in einem Bereich unterhalb von 0,05 mm, bevorzugt sogar unterhalb von 0,02 mm. Hierbei bietet sich besonders an, dass die Materialstärke 30 bzw. die Beschichtung 4 (nicht dargestellt), oder andere Parameter der Partikelfalle 2 über die Gesamtlänge 31 der Partikelfalle 2 nicht konstant sind. D. h. beispielsweise, dass die Partikelfalle 2 in einem ersten Längenabschnitt 32 eine geringere Wärmekapazität, eine höhere Porosität, eine größere Beladung hinsichtlich der katalytisch alctiven Beschichtung, eine erhöhte Anzahl/Größe von Durchbrüchen 19, Leitflächen 18 oder Fasern hat, als in einem zweiten Längenäbschnitt 33. Grundsätzlich ist die Unterteilung der Partikelfalle 2 in mehr als zwei Längenabschnitte auch möglich.
Die dargestellte Partikelfalle 2 hat ein Volumen 20, welches durch das von der Faserlage 1 und der Metallfolie 14 ausgefüllte Volumen im Inneren des
Gehäuses 20 charakterisiert ist, wobei das Volumen der Kanäle 17 ebenfalls umfasst ist. Hinsichtlich der Beschichtung 4 wird die erfindungsgemäße Partikelfalle mit einer solchen Menge versehen, die im Bereich von 20 bis 300 g/1 beträgt. Dabei ist es möglich, dass diese Menge über die Gesamtlänge 31 gleichmäßig auf den Außenflächen 9 der Faserlage 1 und/oder der Mantelfolien 14 angeordnet ist, allerdings ist auch möglich, dass nur die Faserlage 1 oder nur Teilbereiche der Metallfolie 14 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 4 versehen sind. Es ist auch möglich, dass in verschiedenen Längenabschnitten unterschiedliche Arten oder Mengen der Beschichtung 4 vorgesehen sind.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt 8 durch die Faserlage 1. Dabei lässt sich erkennen, dass die Faserlage 1 durch eine Vielzahl von Fasern 6 gebildet ist, die hier teils geordnet, teils chaotisch miteinander verbunden sind. Die Fasern 6 weisen bevorzugt einen Durchmesser 7 im Bereich von 0,012 und 0,035 mm auf. Durch die Anordnung der Fasern 6 in dem Längsschnitt 8 werden Öffnungen 10 gebildet. Diese stellen praktisch einen Querschnitt der Hohlräume dar, die im Inneren der Faserlage 1 gebildet sind.
Fig. 6 zeigt schematisch ebenfalls einen Längsschnitt 8 der Faserlage 1, wobei nun die Fasern 6 mit einer Beschichtung 4 ausgeführt sind. Die Beschichtung 4 umfasst Washcoat 5, der aufgrund seiner zerklüfteten Oberfläche ausreichend Möglichkeit zur Anlagerung der katalytisch aktiven Substanzen 35 bildet. Trotz der Beschichtung 4 weist der Längsschnitt 8 immer noch Öffnungen 10 mit einer Ausdehnung 11 auf. Diese Ausdehnung 11 aller Öffnungen 10 beträgt im Mittel zwischen 0,05 und 0,4 mm. Dabei ist bevorzugt gleichzeitig eine Porosität von ca. 87 % einzuhalten.
Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis einer Vielzahl von aufwendigen technischen Versuchen, um die Effektivität von Partikelfallen in Abgassystemen automobiler Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern. Bezugszeichenliste
Faserlage
Partikelfalle
Abschnitt
Beschichtung
Washcoat
Faser
Durchmesser
Längsschnitt
Außenfläche
Öffnung
Ausdehnung
Dicke
Verbrennungskraftmaschine
Metallfolie
Gehäuse
Achse
Kanal
Leitfläche
Durchbruch
Volumen
Strömungsrichtung
Partikel
Abgasleitung
Startkatalysator
Turbolader
Oxidationskatalysator
Reduktionsmittelzufuhr
Mischer Hauptkatalysator
Materialstärke
Gesamtlänge
Erster Längenabschnitt
Zweiter Längenabschnitt
Stirnfläche
Substanz
Strukturweite

Claims

Patentansprüche
1. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) aus Metallfasern für eine offene Partikelfalle (2) zur Reinigung von Abgasen mobiler
Verbrennungskraftmaschinen (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) zumindest in einem Abschnitt (3) eine katalytisch aktive Beschichtung (4) aufweist, insbesondere wie die eines Oxidationskatalysators und/oder eines 3 -Wege-Katalysators und/oder eines SCR-Katalysators.
2. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) Washcoat (5) umfasst.
3. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) einen porösen Sinter- und/oder
Faserwerkstoff umfasst.
4. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) Fasern (6) mit einem mittleren Durchmesser (7) aufweist, der kleiner als 0,082 mm ist, insbesondere in einem Bereich von 0,01 bis 0,05 mm liegt.
5. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) eine Porosität hat, die mindestens 50 % beträgt, insbesondere mindestens 75 %, bevorzugt mindestens 85 % und vorzugsweise sogar mindestens 95 % .
6. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) in einem Längsschnitt (8) im wesentlichen parallel zur größten Außenfläche (9) Öffnungen (10) hat, die im Mittel eine Ausdehnung (11) von 0,01 mm bis 0,5 mm haben, insbesondere von 0,05 mm bis 0,25 mm.
7. Hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage (1) eine Dicke (12) hat, die kleiner 3 mm beträgt, insbesondere kleiner 1,5 mm, bevorzugt kleiner 0,5 mm und vorzugsweise kleiner 0,1 mm.
8. Partikelfalle (2) zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen (13), dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest eine, teilweise strukturierte Metallfolie (14) und zumindest eine hochtemperaturfeste Faserlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hat, wobei bevorzugt mehrere strulcturierte Metallfolien (14) und mehrere Faserlagen (1) abwechselnd zueinander und insbesondere miteinander gewunden in einem Gehäuse (15) angeordnet sind.
9. Partikelfalle (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen parallel zu einer Achse (16) der Partikelfalle (2) verlaufende Kanäle (17) gebildet sind, wobei Leitflächen (18), vorzugsweise Leitflächen (18) der Metallfolien (14), in zumindest einen Teil der Kanäle (17) hineinragen und eine Umlenkung von durch die Kanäle (17) durchströmende Gasströme hin zur Faserlage (1) bewirken.
10. Partikelfalle (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle (2) ein Volumen (20) hat, und die Beschichtungsmenge in Bezug auf dieses Volumen im Bereich von 20 bis 300 g/1 (Gramm pro Liter) beträgt, bevorzugt sogar zwischen 50 und 120 g/1 liegt.
11. Partikelfalle (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zumindest teilweise strulcturierte Metallfolie (14)
Durchbrüche (19) aufweist, die sich über mindestens eine Strukturweite (36) erstreckt, vorzugsweise sogar über zwei, insbesondere sogar drei Strukturweiten (36).
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